奔驰的BlueDIRECT直喷系统是奔驰第三代直喷技术。该技术在2010年发布，逐渐搭载在一代机皇M274和最新推出的M264等机型上，其中M274在2017年拿下沃德十佳。在众多汽车人眼中，面对当今几乎全球所有汽车公司都拿出自己招牌的直喷燃烧系统时，为什么奔驰对这套将近10年历史的直喷技术依旧恋恋不舍？

在这套系统上，媒体包括奔驰本身给出的统一口号就是：压电式喷油器，多次喷射，分层稀薄燃烧，以及多次点火技术。这套技术在当今燃烧系统中，尤其是在严苛的中国排放法规下仍旧独树一帜。因为在当前无论国内外，把宝压在像奔驰这种燃烧系统上的公司并不多，甚至在喷油器选型上各大零部件公司、科研机构所能提供的资料也相对较少，奔驰所打造这套燃烧系统并且沿用至今，甚至配合最新的48V微混，是有作为老大哥的思考以及独特设计的。

作为缸内直喷的核心，喷油器以及其设计起到至关重要的作用。一个喷油器以及其喷雾形状、喷油策略、缸内油气混合设计、缸内壁面-油束配合设计，都经过了大量的设计以及调整计算，这也就是汽车发动机燃烧系统工程师花费了大量了资金、时间所在的地方，也是广大科研院所、汽车巨头所研究的核心。

传统的发动机设计厂商、零部件供应商在汽油喷油器上所采用的策略通常是多孔、高压甚至是超高压喷射，利用压力差促进燃油的破碎，燃油在缸内通常以一束束油束喷雾呈现，对不同的喷孔进行设计以及排布，就形成了不同方向、流量的油束喷雾。这种思路可以直接有效的提供设计标准，也就是油束在缸内分布以及排列的问题，将油束放在正确的位置上，就是汽车工程师要做的事情。然而奔驰这套燃烧系统可以说完全不同，彻底摈弃了这种思考方式转而采用了完全不一样的喷射方式。另外基于BlueDIRECT这套喷射系统，奔驰给予喷油器的担子更重，也就是我们所说的利用喷雾引导的缸内燃烧系统。

M274发动机

奔驰E-Class

沃德十佳—M274以及E-class

PART 1

喷雾引导的分层燃烧策略

首先我们直观的来看一张图。

上图就是奔驰BlueDIRECT压电式喷油器以及其他一般汽车厂商所用的多孔喷油器两种喷雾形态的高速摄影图片对比。一般这种图片就是利用实验室的高速相机以及搭配不同的光源进行拍摄的。多孔喷油器喷雾呈现出来的是羽毛状的油束，一般几个孔就几个油束，如黄色线条所示，在最外面的油束构造起了整个喷雾的边界。而压电喷油器所呈现的是类似于伞状的喷雾，在喷雾的最下端更像是一团云雾。直观来看，在缸内喷雾设计中中，一个非常重要的参数就是喷雾贯穿距，也就是喷雾所能到达的最远距离。如红色箭头所示，压电喷油器喷雾要远小于多孔喷油器喷雾。这也就是说在同样的状态下，压电喷油器喷射距离更短，所触碰活塞顶面的几率也就更小，湿壁现象也就更少，所优化以及不良的燃烧状态也就更少。另外，这也就给喷油策略带来了更多的操作空间，利于切换不同的喷射模式。

那么为什么奔驰所运用的分层燃烧技术，以及深度稀薄燃烧技术要利用这种喷雾形态呢？首先我们先来再次理解一下发动机的四个冲程，以及两种主要的燃烧模式：均质燃烧以及分层燃烧。

上图是发动机的四个冲程，如果用曲轴的一圈作为时间标志，如图上方所示，进气则是从上止点到下止点的半圆，压缩是从下止点到上止点的半圆，在上止点附近点火，由燃烧气体推动活塞再次下行继而完成后续做功、排气两个冲程。那么在这个过程里，油气混合主要就集中在进气以及压缩两个冲程里。一般来说工程师们更喜欢在进气冲程里面喷油，并且是靠近上半个四分之一圆的过程里，这时候活塞刚离开上止点不久，进气开始，缸内混合的流场初步形成，此时喷油有助于传统油束与流场进行混合，并且此时离点火最远，还要经过活塞下行再上行两个过程，所经历时间最长，这样一来油气就有充分的时间、空间进行混合、蒸发，最后形成良好的油气混合物。这种状态在整个缸内我们认为油是均匀分布在每一个角落里的，并且通常与空气形成最佳反应的比例，再由中间的火花塞打火，火核由中间形成并扩散开来推动活塞做功。

但是这种均质燃烧方式有一个直观的问题，就是在整个缸内的分布是一样的，也就是统一控制在一个空燃比上。燃烧系统发展到现在，如果想在均质燃烧模式上进一开发稀薄燃烧，一般来讲就要从点火能量以及点火方式入手，因为油气已经没办法再改变了，全局均匀分布，要么利用高能点火击穿油气进行着火，要么利用燃料的改变进行压燃，或者是利用其他更小众的点火方式。所以想要实现稀薄燃烧，一个比较重要的方式就是分层燃烧，利用喷油策略以及喷油器布局，使得在火花塞附近进行一层一层的布置油气，在火花塞附近的油气更浓，更接近着火条件，当火核形成，再传播出去把外层的，较为稀薄的燃料烧掉。

也就是说，着火和火焰传播是两个不同的过程，也是基于不同的机理的现象。从人类钻木取火开始，人们花费了大量力气尝试着搞清楚火焰如何产生，如何发展，以及不同形式的火焰如何控制。虽然这方面的理论、技术已经有了长足的进步，但是离完全掌握火焰的动向还是一个很困难的事情。所以在发动机中，各种边界条件（温度、压力等）较难控制，导致火焰传播以及产生更加难以完全控制。但是分层燃烧可以给出的明显不同是在火花塞附近的混合气的主要任务是产生火焰，也就是着火，并且以较为稳定以及快速的方式将火焰像外层较稀薄的混合气传播。这种燃烧方式本身需要对油气混合的比例以及空间分布方式有较好的控制，这也就是为什么BlueDIRECT要花费大量精力在喷油器上面的原因。

下图给出了一个简单的示意图，解释了不同燃烧模式的油气分布方式差异。蓝色的区域就代表油气混合物，方框代表燃烧室，喷油器和火花塞置于上方。分层燃烧就是创造出一层一层的，由中心较浓，外层较稀的油气分布方式，而均质燃烧则是整个气缸内均匀分布这油气混合物。在同样的油气比例下，分层燃烧可以调整燃油的分布位置，在中间布局更多的燃油，利于着火以及燃烧稳定。而均质燃烧则需要更强大的点火能量，使得在燃油比较少的情况下点燃混合气。当然利用喷油器的喷射策略，也可以将这两种方式组合，一方面在火花塞附近组织分层的油气，也在整个空间内组织均匀的油气即为最右端的均质-分层联合燃烧模式。

具体到发动机燃烧系统内，以M274发动机为例，下图为喷雾引导燃烧系统示意图。所谓喷雾引导，一方面是重点突出喷雾在与火花塞配合上的重要作用，一方面区别于早期壁面引导分层燃烧的概念。壁面引导就是利用例如活塞顶部形状设计，一般设计为冲浪式凹槽，喷雾喷射到这个凹槽上卷吸流动分布于活塞定中心上方火花塞周围，用以制造较浓混合气区域。这种方式的一个明显弊端就是喷雾会直接在活塞顶上形成湿壁，大量的油膜存在于活塞顶部之上，在蒸发、雾化不良的工况下会引起池火现象，大片的不良火焰产生会导致排放、油耗、动力恶化。相比之下，喷雾引导的分层燃烧利用喷射方式的改变，在空间中组织油气分层，由空气层层包裹燃油，湿壁现象下降，优化了燃烧。在图中可以看出这个燃烧系统里，火花塞和喷油器的位置是紧凑并经过特殊设计的，这是根据喷雾的形状测试在最佳的位置布局火花塞，利于着火。（未完待续）

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